Notes d'écologie et d'évolution 2024 - PDF

Écologie et évolution AUTOMNE 2024 Rémy Morisset CÉGEP DE LA GASPÉSIE ET DES ÎLES 0 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction ...

Écologie et évolution AUTOMNE 2024 Rémy Morisset CÉGEP DE LA GASPÉSIE ET DES ÎLES 0 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Écologie et évolution Énoncé de compétence Analyser les interactions des êtres vivants dans la biosphère. Objectifs d’apprentissage 1. Reconnaître les facteurs influant la dispersion des organismes et la structure des populations, des communautés et des écosystèmes. 2. Expliquer les transferts d’énergie et de matière s’opérant au sein des écosystèmes. 3. Reconnaître les conséquences des perturbations dans un écosystème. 4. Expliquer les principaux cycles biogéochimiques et leurs interactions avec le vivant. 5. Expliquer la distribution des biomes. 6. Expliquer l’effet des activités humaines sur les principaux cycles biogéochimiques. 7. Reconnaître l’empreinte écologique de l’humanité et mesurer l’empreinte écologique individuelle. 8. Reconnaître les conséquences des perturbations humaines sur les écosystèmes. 9. Décrire les principales hypothèses de l’origine de la vie sur Terre. 10. Expliquer la théorie de l’évolution par sélection naturelle de Darwin. 11. Expliquer les processus menant à l’apparition de nouvelles espèces. 12. Vérifier les conséquences de l’évolution sur les caractéristiques génétiques d’une population et sur les fréquences alléliques. 13. Décrire les principaux clades de la classification scientifique des espèces. 14. Réaliser un arbre phylogénétique. 1 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Table des matières Chapitre 1: Écologie............................................................................................................... 3 1.1 Notions de base en biologie et en écologie........................................................................................ 4 Niveaux d’organisation du vivant................................................................................................ 4 Écologie....................................................................................................................................... 6 Les besoins des organismes vivants............................................................................................ 7 Répartition géographique vs habitat......................................................................................... 12 1.2 Climats............................................................................................................................................... 14 1.3 Biomes............................................................................................................................................... 21 1.4 Écologie des populations.................................................................................................................. 32 1.5 Écologie des communautés.............................................................................................................. 36 1.6 Écosystèmes...................................................................................................................................... 44 1.7 Cycles biogéochimiques.................................................................................................................... 52 Chapitre 2: Impacts humains sur l’environnement.................................................................. 62 2.1 Croissance de la population humaine............................................................................................... 62 2.2 Effets des activités humaines sur les cycles biogéochimiques.......................................................... 65 2.3 Menaces pour la biodiversité............................................................................................................ 66 2.4 Changements de la biodiversité au cours des temps géologiques................................................... 80 2.5 Empreinte écologique....................................................................................................................... 84 Chapitre 3: Évolution et biodiversité....................................................................................... 86 3.1 Origine de la vie sur Terre................................................................................................................. 86 3.2 Évolution par sélection naturelle...................................................................................................... 93 3.3 La génétique des populations............................................................................................................ 97 3.4 Spéciation........................................................................................................................................ 107 3.5 Diversité........................................................................................................................................... 114 2 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  3 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Chapitre 1: Écologie Objectifs d’appentissage 1. Reconnaître les facteurs influant la dispersion des organismes et la structure des populations, des communautés et des écosystèmes. 2. Expliquer les transferts d’énergie et de matière s’opérant au sein des écosystèmes. 3. Reconnaître les conséquences des perturbations dans un écosystème. 4. Expliquer les principaux cycles biogéochimiques et leurs interactions avec le vivant. 5. Expliquer la distribution des biomes. 3 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  1.1 Notions de base en biologie et en écologie Niveaux d’organisation du vivant Niveaux d’organisation Définition (a, b, c…) Population Tissu Biosphère Cellule Atome Communauté Organe Écosystème Organisme Organite Molécule Système 4 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Définitions a Ensemble des populations habitant une zone particulière à un moment précis. b Groupe d'individus de la même espèce occupant la même zone géographique. c Structure chimique constituée d'au moins deux atomes liés entre eux par une liaison chimique. d Un animal, une plante ou une forme de vie unicellulaire. e Un groupe de tissus qui travaillent ensemble pour remplir des fonctions similaires. f Ensemble des populations et des communautés, des écosystèmes et des biomes de la planète Terre. g Unité de base de la vie. Elle compose tous les êtres vivants. h Groupe de cellules qui remplissent des fonctions similaires. i Structure cellulaire qui remplit une fonction spécifique. j Communautés d'organismes et leur interaction avec les facteurs biotiques et abiotiques qui les affectent. k Unité de matière la plus petite et la plus fondamentale qui conserve les propriétés d'un élément. l Niveau d'organisation constitué d'organes fonctionnellement liés. 5 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Écologie Le texte de cette section a été traduit de l’anglais et provient du livre OpenStax Biology 2e textbook by Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi. Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/biology- 2e/pages/1-introduction L'écologie est l'étude des interactions entre les organismes vivants et leur environnement. L'un des principaux objectifs de l'écologie est de comprendre la répartition et l'abondance des organismes vivants dans l'environnement physique. En écologie, les chercheurs travaillent à quatre niveaux d’organisation, qui se chevauchent parfois. Ces niveaux sont l'organisme, la population, la communauté et l'écosystème. Figure 1.1 (crédit “organisms”: modification par yeowatzup”/Flickr; crédit “populations”: modification par "Crystl"/Flickr; crédit “communities”: modification par US Fish and Wildlife Service; crédit “ecosystems”: modification par Tom Carlisle, US Fish and Wildlife Service Headquarters; crédit “biosphere”: NASA) Écologie des organismes Les chercheurs qui étudient l'écologie au niveau de l'organisme s'intéressent aux adaptations qui permettent aux individus de vivre dans des habitats spécifiques. Ces adaptations peuvent être morphologiques, physiologiques et comportementales. 6 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Écologie des populations Une population est un groupe d'organismes interféconds appartenant à la même espèce et vivant dans la même zone au même moment. L'étude de l'écologie des populations se concentre sur le nombre d'individus dans une zone et sur la manière dont la taille de la population évolue au fil du temps. Écologie des communautés Une communauté biologique est constituée des différentes espèces présentes dans une zone, généralement un espace tridimensionnel, et des interactions au sein de ces espèces et entre elles. Les écologistes des communautés s'intéressent aux processus qui régissent ces interactions et à leurs conséquences. Les écologistes étudient également les interactions entre les différentes espèces. La prédation, le parasitisme, l'herbivorie, la compétition et la pollinisation sont des exemples d'interactions. Ces interactions peuvent avoir des effets régulateurs sur la taille des populations et peuvent avoir un impact sur les processus écologiques et évolutifs affectant la diversité. Écologie des écosystèmes L'écologie des écosystèmes est une extension de l'écologie des organismes, des populations et des communautés. L'écosystème se compose de tous les éléments biotiques (êtres vivants) d'une zone, ainsi que des éléments abiotiques (êtres non vivants) de cette zone. L'air, l'eau et le sol sont quelques-uns des éléments abiotiques. Les écologistes des écosystèmes s'interrogent sur la manière dont les nutriments et l'énergie sont stockés et comment ceux-ci se déplacent entre les organismes et entre les organismes et l'atmosphère, le sol et l'eau environnants. Les besoins des organismes vivants De nombreuses forces influencent les communautés d'organismes vivants présentes dans les différentes parties de la biosphère (toutes les parties de la Terre habitées par la vie). La biosphère s'étend dans l'atmosphère (à plusieurs kilomètres au-dessus de la Terre) et dans les profondeurs des océans. De nombreuses forces biotiques et abiotiques déterminent les endroits où la vie peut se développer ainsi que types d'organismes présents. La biogéographie est l'étude de la répartition géographique des êtres vivants et des facteurs abiotiques qui influent sur cette répartition. Les facteurs abiotiques tels que la température et les précipitations varient principalement en fonction de la latitude et de l'altitude. Lorsque ces facteurs abiotiques changent, la composition des communautés végétales et animales change également. Par exemple, si vous commencez un voyage à l'équateur et que vous vous dirigez vers le nord, vous remarquerez des changements progressifs dans les communautés végétales. Au début de votre voyage, vous verriez des forêts tropicales humides avec des arbres à feuilles persistantes, caractéristiques des communautés végétales que l'on trouve près de l'équateur. En 7 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction continuant à voyager vers le nord, vous verrez ces forêts laisser leur place à des forêts saisonnières sèches avec des arbres épars. Vous commencerez également à remarquer des changements de température et d'humidité. À environ 30 degrés de latitude nord, ces forêts cèdent la place à des déserts, caractérisés par de faibles précipitations. Plus au nord, les déserts sont remplacés par des prairies. Enfin, les prairies sont remplacées par des forêts tempérées à feuilles caduques. Ces forêts de feuillus cèdent la place aux forêts boréales et à la taïga que l'on trouve dans le subarctique, la zone située au sud du cercle polaire. Enfin, vous atteindrez la toundra arctique, qui se trouve aux latitudes les plus septentrionales. Cette remontée vers le nord révèle des changements progressifs à la fois dans le climat et dans les types d'organismes qui se sont adaptés aux facteurs environnementaux associés aux écosystèmes situés à différentes latitudes. Cependant, des écosystèmes différents existent à la même latitude, en partie grâce à des facteurs abiotiques tels que les courants-jets, le Gulf Stream et les courants océaniques. Si vous faisiez une randonnée en montagne, les changements que vous observeriez dans la végétation correspondraient à bien des égards à ceux qui se produisent lorsque vous vous déplacez vers des latitudes plus élevées. Les écologistes qui étudient la biogéographie examinent les schémas de répartition des espèces. Aucune espèce n'existe partout ; par exemple, la Dionée attrape-mouches (Dionaea muscipula) est endémique d'une petite zone en Caroline du Nord et du Sud. Une espèce endémique est une espèce que l'on ne trouve naturellement que dans une zone géographique spécifique, généralement de taille restreinte. D'autres espèces sont généralistes : elles vivent dans une grande variété de zones géographiques ; le raton laveur (Procyon lotor), par exemple, est originaire de la majeure partie de l'Amérique du Nord et de l'Amérique centrale. Les schémas de répartition des espèces sont basés sur des facteurs biotiques et abiotiques et sur leur influence au cours des très longues périodes de temps nécessaires à l'évolution des espèces: Sources d’énergie L'énergie solaire est captée par les plantes vertes, les algues, les cyanobactéries et les protozoaires photosynthétiques. Ces organismes convertissent l'énergie solaire en énergie chimique nécessaire à tous les êtres vivants. La disponibilité de la lumière peut être une force importante qui affecte directement l'évolution des adaptations des organismes photosynthétiques. Par exemple, les plantes du sous-bois d'une forêt tempérée sont à l'ombre lorsque les arbres qui les surplombent dans la canopée ont complètement déployé leurs feuilles à la fin du printemps. Il n'est donc pas surprenant que les plantes du sous-étage se soient adaptées pour réussir à capter la lumière disponible qui passe à travers la canopée. L'une de ces adaptations est la croissance rapide de plantes éphémères printanières telles que la Claytonie de Virginie (Claytonia virginica) (figure 1.2). Ces fleurs printanières réalisent une grande partie de leur 8 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction croissance et terminent leur cycle de vie (reproduction) au début de la saison, avant que les arbres de la canopée ne développent des feuilles. Figure 1.2 La Claytonie de Virginie est une plante printanière éphémère qui fleurit tôt au printemps pour éviter de concurrencer les grands arbres de la forêt pour la lumière du soleil. (crédit: John Beetham) Dans les écosystèmes aquatiques, la disponibilité de la lumière peut être limitée parce que la lumière du soleil est absorbée par l'eau, les plantes, les particules en suspension et les micro- organismes résidents. Au fond d'un lac, d'un étang ou d'un océan, il existe une zone que la lumière ne peut atteindre (parce que la plupart des longueurs d'onde, à l'exception des bleues les plus courtes, sont absorbées par la colonne d'eau). La photosynthèse ne peut y avoir lieu et, par conséquent, un certain nombre d'adaptations ont évolué pour permettre aux êtres vivants de survivre sans lumière. Par exemple, les plantes aquatiques ont des tissus photosynthétiques près de la surface de l'eau. Il suffit de penser aux larges feuilles flottantes des nénuphars, qui ne peuvent survivre sans lumière. Dans des environnements tels que les cheminées hydrothermales, certaines bactéries extraient de l'énergie à partir de molécules inorganiques parce qu'il n'y a pas de lumière pour la photosynthèse (celles-ci font plutôt de la chimiosynthèse). Température La température affecte la physiologie des organismes ainsi que la densité et l'état de l'eau. La température exerce une influence importante sur les êtres vivants, car peu d'entre eux peuvent survivre à des températures inférieures à 0 °C en raison de contraintes métaboliques. Il est également rare que des organismes vivants survivent à des températures supérieures à 45 °C, ce qui reflète la réponse de l'évolution aux températures typiques près de la surface de la Terre. Les enzymes sont plus efficaces dans une gamme étroite et spécifique de températures ; la dégradation des enzymes peut se produire à des températures plus élevées. Par conséquent, les organismes doivent soit maintenir une température interne, soit vivre dans un environnement qui maintient le corps dans une fourchette de température propice au métabolisme. Certains animaux sont adaptés pour permettre à leur corps de survivre à d'importantes fluctuations de température, comme dans le cas de l'hibernation ou de la torpeur reptilienne. De même, certaines Archées ont évolué pour tolérer des températures extrêmement chaudes, comme celles des geysers du parc national de Yellowstone. Ces organismes sont des exemples d'extrêmophiles: des organismes qui prospèrent dans des environnements extrêmes. La température (de l'eau et de l'air) peut limiter la répartition des êtres vivants. Les animaux confrontés à des fluctuations de température peuvent réagir en s'adaptant, par exemple en migrant, afin de survivre. La migration, c'est-à-dire le déplacement régulier d'un endroit à un 9 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction autre, est une adaptation que l'on retrouve chez de nombreux animaux, y compris ceux qui vivent dans des climats saisonniers froids. La migration résout les problèmes liés à la température, à la localisation de la nourriture et à la recherche d'un partenaire. Par exemple, la sterne arctique (Sterna paradisaea) effectue chaque année un vol aller-retour de 40 000 km entre ses zones d'alimentation dans l'hémisphère sud et ses zones de reproduction dans l'océan Arctique. Les papillons monarques (Danaus plexippus) vivent dans l'est et l'ouest des États-Unis pendant les mois les plus chauds, où ils forment d'énormes populations, et migrent vers les régions autour du Michoacan, au Mexique, ainsi que vers les régions le long de la côte pacifique et le sud des États- Unis pendant l'hiver. Certaines espèces de mammifères font également des migratoires. Les caribous (Rangifer tarandus) parcourent environ 5 000 km chaque année pour trouver de la nourriture. La répartition des amphibiens et des reptiles est plus limitée car ils n'ont généralement pas la capacité de migrer. Tous les animaux qui pourraient migrer ne le font pas : la migration comporte des risques et un coût énergétique élevé. Certains animaux hibernent ou estivent pour survivre à des températures hostiles. L'hibernation permet aux animaux de survivre à des conditions froides, et l'estivation leur permet de survivre aux conditions hostiles d'un climat chaud et sec. Les animaux qui hibernent ou estivent entrent dans un état connu sous le nom de torpeur : un état dans lequel leur taux métabolique est considérablement réduit. Cet état permet à l'animal d'attendre que son environnement soit plus favorable à sa survie. Certains amphibiens, comme la grenouille des bois (Lithobates sylvaticus), possèdent dans leurs cellules une substance chimique antigel qui préserve l'intégrité des cellules et les empêche de geler et d'éclater. Eau Tous les êtres vivants ont besoin d'eau car elle est essentielle aux processus cellulaires. Comme les organismes terrestres perdent de l'eau dans l'environnement, ils ont développé de nombreuses adaptations pour retenir l'eau. Les feuilles des plantes présentent un certain nombre de caractéristiques intéressantes, telles que des poils et une cuticule cireuse, qui servent à réduire le taux de perte d'eau par transpiration et convection. Il n’est pas étonnant de constater que la biodiversité est étroitement reliée aux précipitations. Nutriments inorganiques et sol Les nutriments inorganiques, tels que l'azote et le phosphore, jouent un rôle important dans la répartition et l'abondance des organismes vivants. Les plantes obtiennent ces nutriments inorganiques du sol lorsque l'eau pénètre dans la plante par les racines. Par conséquent, la structure du sol (taille des particules des composants du sol), le pH du sol et la teneur en éléments nutritifs du sol jouent tous ensemble un rôle important dans la répartition des plantes. Les animaux obtiennent des nutriments inorganiques à partir des aliments qu'ils consomment. Par 10 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction conséquent, la répartition des animaux est liée à la répartition de ce qu'ils mangent. Dans certains cas, les animaux suivent leur ressource alimentaire dans ses déplacements dans l'environnement. Autres facteurs aquatiques Certains facteurs abiotiques, comme l'oxygène, sont importants dans les écosystèmes aquatiques et terrestres. Les animaux terrestres tirent leur oxygène de l'air qu'ils respirent. La disponibilité de l'oxygène peut toutefois poser problème pour les organismes vivant à très haute altitude, où il y a moins de molécules d'oxygène dans l'air. Dans les systèmes aquatiques, la concentration d'oxygène dissous est liée à la température de l'eau et à la vitesse à laquelle l'eau se déplace. Les eaux froides contiennent plus d'oxygène dissous que les eaux plus chaudes. En outre, la salinité, les courants et les changements de marée peuvent être des facteurs abiotiques importants dans les écosystèmes aquatiques. Autres facteurs terrestres Le vent peut être un facteur abiotique important car il influence le taux d'évaporation, de transpiration et de perte de chaleur par convection de la surface de tous les organismes. La force physique du vent est également importante car elle peut déplacer le sol, l'eau ou d'autres facteurs abiotiques, ainsi que les organismes d'un écosystème. Le feu est un autre facteur terrestre qui peut être un agent de perturbation important dans les écosystèmes terrestres. Certains organismes sont adaptés au feu et ont donc besoin de la chaleur élevée associée au feu pour accomplir une partie de leur cycle de vie. Par exemple, le pin gris (Pinus banksiana) a besoin de la chaleur du feu pour que les cônes de ses graines s'ouvrent. En brûlant les aiguilles de pin, le feu ajoute de l'azote au sol et limite la concurrence en détruisant le sous-bois. Les interactions entre espèces peuvent constituer un facteur biotique important, en particulier pour les espèces qui dépendent d'autres organismes. La tectonique des plaques influence la répartition et l'évolution des organismes. Activités humaines (introduction d'espèces envahissantes, destruction de l'habitat, pêche, chasse) 11 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Aire de répartition vs habitat La zone géographique dans laquelle vit une espèce est appelée son aire de répartition. L'habitat est la zone où une espèce particulière peut trouver toutes les ressources dont elle a besoin pour se nourrir, survivre et se reproduire. L'habitat se trouve donc à l'intérieur de l'aire de répartition, mais à l'intérieur de celle-ci, il peut y avoir des zones où l'espèce ne peut pas vivre. Il est possible de trouver des zones d'habitat inadapté dans l'aire de répartition. Par exemple, dans l'aire de répartition du caribou (voir figure 1.3) en Amérique du Nord, les caribous ne se trouvent pas dans les forêts en régénération. La figure 1.4 illustre ce fait en montrant l'ensemble de l'aire de répartition du caribou forestier au Québec et les habitats qu'il choisit préférentiellement. Figure 1.3 Répartition approximative des sous- espèces de caribou (Rangifer tarandus) en Amérique du Nord de Feldhamer, George A., Bruce C. Thompson, et Joseph A. Chapman. Wild Mammals of North America : Biology, Management, and Conservation. 2003. Johns Hopkins University Press, Baltimore. 2nd ed. 1216 p 12 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Figure 1.4: Répartition approximative du caribou forestier au Québec. Ministère des forêts, de la Faune et des Parcs, 2019 13 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction 1.2 Climats Le texte de ce chapitre provient des manuels libres suivants : - OpenStax Biology 2e textbook de Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction - An In Introduction to Geology, a free textbook de Chris Johnson, Matthew D. Affolter, Paul Inkenbrandt and Cam Mosher. Salt Lake Community College. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://opengeology.org/textbook/ - Introduction to climate science open textbook de Andreas Schmittner. Oregon State University. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://open.oregonstate.education/climatechange/ - Physical geography open textbook de Jeremy Patrich.College of the Canyons. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://drive.google.com/drive/folders/1prHnOB77NSpjZwYkOqx-oYWF2NpqS0HG - OpenStax Astronomy 2e textbook de Fraknoi, Morrison and Wolff. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://openstax.org/books/astronomy-2e/pages/1-introduction Le climat est défini en termes de moyenne des éléments météorologiques (tels que la température et les précipitations) sur une période de temps donnée. (L'Organisation météorologique mondiale définit la période de temps type comme étant de 30 ans). La situation géographique, la circulation atmosphérique et la rotation de la Terre sont les principaux facteurs déterminant les climats. Figure 1.5: Classification Köppen-Geiger des climats du monde 14 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction La circulation atmosphérique: L'énergie solaire convertie en chaleur est le moteur de la circulation de l'air dans l'atmosphère et de l'eau dans les océans. La force de la circulation est déterminée par la quantité d'énergie absorbée par la surface de la Terre, qui dépend elle-même de la position moyenne du Soleil par rapport à la Terre. En d'autres termes, la Terre est chauffée de manière inégale en fonction de la latitude. La latitude est une ligne qui fait le tour de la Terre parallèlement à l'équateur et se mesure en degrés. L'équateur est à 0° et les pôles Nord et Sud sont respectivement à 90° N et 90° S. Les zones tropicales sont situées près de l'équateur et reçoivent de grandes quantités d'énergie solaire. Les pôles, dont la latitude est de 90°, ne reçoivent que peu ou pas d'énergie. Comme une plus grande quantité d'énergie solaire atteint l'équateur, l'air se réchauffe et s'élève en formant une zone de basse pression. En s'élevant, une moitié de l'air se déplace vers le pôle Nord et l'autre moitié vers le pôle Sud. En se déplaçant, l'air se refroidit. L'air froid est dense et lorsqu'il atteint une zone de haute pression, il s'enfonce dans le sol. L'air est aspiré vers la basse pression de l'équateur. Ceci décrit les cellules de convection au nord et au sud de l'équateur. Si la Terre ne tournait pas, il n’y aurait qu’une cellule de convection dans l'hémisphère nord et une autre dans le sud, l'air montant à l'équateur et l'air descendant à chaque pôle. Mais comme la planète est en rotation, la situation est plus compliquée. La rotation de la planète implique la prise en compte de l'effet de Coriolis. Examinons la circulation atmosphérique dans l'hémisphère nord en raison de l'effet de Coriolis. L'air monte à l'équateur, mais en se déplaçant vers le pôle, il dévie vers la droite. Rappelez-vous qu'il semble dévier vers la droite parce que le sol en dessous bouge. À une latitude d'environ 30°N, l'air provenant de l'équateur rencontre de l'air s'écoulant vers l'équateur depuis les latitudes plus élevées. Cet air est frais car il provient de latitudes plus élevées. Les deux lots d'air descendent, créant ainsi une zone de haute pression. Une fois au sol, l'air retourne vers l'équateur. Cette cellule de convection s'appelle la cellule de Hadley et se trouve entre 0° et 30° N. Figure 1.6: Cellules de convection par Anthony Flores utilisée selon la licence CC-BY-4.0 15 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Il existe deux autres cellules de convection dans l'hémisphère nord. La cellule de Ferrel se situe entre 30°N et 50° à 60°N. Cette cellule partage son côté sud descendant avec la cellule de Hadley qui se trouve à son sud. Sa bordure ascendante nord est partagé avec la cellule polaire située entre 50° N et 60° N et le pôle Nord, où l'air froid descend. L'hémisphère sud compte trois cellules de circulation en miroir. Dans cet hémisphère, l'effet de Coriolis fait que les objets semblent dévier vers la gauche. L'ascension de l'air chaud et humide à l'équateur provoque la condensation de la vapeur d'eau en raison du refroidissement de l'air pendant l'ascension. Des nuages se forment et des précipitations se produisent. L'air frais et relativement sec se déplace ensuite vers le pôle. L'effet de Coriolis entre alors en jeu et dévie l'air vers la droite dans l'hémisphère nord (et vers la gauche dans l’hémisphère sud), ce qui crée le courant-jet. L'air se refroidit et sa densité augmente. L'air redescend vers la surface dans les régions subtropicales (~30°N/S). Pendant la descente, l'air se réchauffe et son humidité relative diminue. Cela conduit à des conditions sèches dans les régions subtropicales, comme en témoignent les grands déserts à ces latitudes. Figure 1.7: Effet des cellules de convection sur le climat Ensuite, l'air sec se déplace vers l'équateur. La force de Coriolis le dévie vers la droite dans l'hémisphère nord, créant ainsi les alizés d'est sous les tropiques. Au cours de ce mouvement le long de la surface de la mer, l'air se charge de vapeur d'eau par évaporation. Lorsque l'air revient à l'équateur, il est saturé de vapeur d'eau (humidité relative proche de 100 %). Figure 1.8: Cellules de Hadley 16 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Figure 1.8: Circulation atmosphérique, vents dominants et biomes Situation géographique Bien sûr, la circulation atmosphérique et les cellules de convection ne peuvent pas tout expliquer, sinon l'Inde serait un grand désert et non couverte de forêt tropicale (voir figure biomes p.26). La topographie et les courants océaniques peuvent également influencer le climat. Ombre pluviométrique: Les chaînes de montagnes ont une influence majeure sur le climat, principalement sur les précipitations. Le versant exposé aux vents dominants recevra beaucoup plus de précipitations, tandis que le versant opposé aura un climat beaucoup plus sec. Une simple visite sur Google Map permet de constater l'impact des chaînes de montagnes. Comparez la Colombie-Britannique avec l'Alberta, la côte de l'Oregon avec l'intérieur des terres, le Tibet et le nord de l'Inde. Le côté faisant face aux vents dominants sera vert tandis que le côté opposé sera sec. Lorsque l'air chaud et humide rencontre des montagnes, il s'élève, se refroidit et une grande partie de son humidité tombe sous forme de précipitation. Une fois au-dessus des montagnes, l'air frais et sec descend sur le versant opposé. 17 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Figure 1.9 Ombre pluviométrique de Fabiocarboni, dérivée de Bourrichon, Wikimedia commons Figure 1.10 Ombre pluviométrique par Washington State Wine L'ombre pluviométrique la plus impressionnante est visible au Chili ! N'oubliez pas que la pente qui fait face aux vents dominants est plus verte. La direction des vents dominants est déterminée par la circulation atmosphérique (liée aux cellules de convection et à l'effet de Coriolis (voir figure p.22)). Dans l'hémisphère sud, les vents dominants viennent de l'est entre l'équateur et le 30e parallèle et viennent de l'ouest entre le 30e et le 60e parallèle. Si tout cela est vrai, cela signifierait que la partie nord du Chili serait sèche (car située à l'ouest des Andes, donc du côté le plus sec) et que la partie sud serait plus verte (car elle fait face aux vents dominants d'ouest). Vérifiez cela sur Google Maps, vous serez époustouflé ! 18 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Les courants océaniques: Les océans occupent la majorité de la surface de notre planète. Ils absorbent donc la majeure partie de la chaleur qui atteint la Terre. Après avoir absorbé la chaleur, les océans jouent un rôle très important dans la régulation des climats en distribuant cette chaleur. Les vents de surface, les gradients de température et de salinité et les marées créent des courants qui transportent l'eau chaude de l'équateur vers les pôles et des pôles vers l'équateur (l'effet de Coriolis s'applique ici aussi). Les courants océaniques contribuent à contrebalancer la répartition inégale du rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre. Ainsi, le Gulf Stream permet à l’Europe d’avoir un climat plus tempéré que celui du Québec, bien que situés à des latitudes semblables. Figure 1.11 Les courants océaniques de surface El Niño et la Niña sont des phénomènes impliquant une modification de la température de surface de l'océan Pacifique (et donc des courants océaniques) qui ont des répercussions sur la température et les précipitations dans le monde entier. 19 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction L’axe de rotation de la Terre L'un des aspects majeurs des climats sur Terre est la présence de saisons, qui découle de l'inclinaison de 23,5° de l'axe de rotation de la Terre. (La distance entre le Soleil et la Terre n'a rien à voir avec les saisons, la Terre est en fait plus proche du Soleil en janvier...) La figure suivante montre la trajectoire annuelle de la Terre autour du Soleil, avec une inclinaison de l'axe de la Terre de 23,5°. Notez que notre axe continue à pointer dans la même direction dans le ciel tout au long de l'année. Lorsque la Terre se déplace autour du Soleil, en juin, l'hémisphère nord se penche vers le Soleil et est plus directement éclairé. En décembre, la situation est inversée: l'hémisphère sud se penche vers le soleil et l'hémisphère nord s'en éloigne. En septembre et en mars, la Terre se penche "de côté", c'est-à-dire qu'elle ne se penche ni vers le Soleil ni à l'opposé, de sorte que les deux hémisphères sont également favorisés par l'ensoleillement. La Terre le 21 juin. La Terre le 21 décembre. Figures d’OpenStax Astronomy 2e textbook 20 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction 1.3 Les Biomes Le texte de ce chapitre provient des manuels libres suivants: - OpenStax Biology 2e textbook de Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction - An In Introduction to Geology, a free textbook de Chris Johnson, Matthew D. Affolter, Paul Inkenbrandt and Cam Mosher. Salt Lake Community College. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://opengeology.org/textbook/ - Physical geography open textbook de Jeremy Patrich.College of the Canyons. Accessible gratuitement à l’adresse suivante : https://drive.google.com/drive/folders/1prHnOB77NSpjZwYkOqx-oYWF2NpqS0HG Les biomes sont des régions de la surface terrestre et la combinaison particulière de climat, de plantes et d'animaux qu'on y trouve. Les biomes de la Terre sont classés en deux grands groupes : les biomes terrestres et les biomes aquatiques. Les dix principaux biomes terrestres de la planète se distinguent par des températures et des précipitations caractéristiques. La répartition de ces biomes montre qu'un même biome peut être présent dans des zones géographiquement distinctes, mais avec des climats similaires. Figure 1.12 Distribution globale des biomes La topographie et le climat créent des conditions qui déterminent le type de vie qui se développera dans une certaine zone, déterminant ainsi son biome ! La structure d'un biome est principalement déterminée par sa communauté végétale, mais un biome comprend également tous les autres êtres vivants. La température et les précipitations sont les deux principaux facteurs qui déterminent les communautés végétales et les biomes (l'altitude serait le troisième facteur). 21 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Le nombre de biomes varie beaucoup d'un manuel d'écologie à l'autre. Entre deux biomes différents, il y a souvent une zone de transition (qui peut parfois être assez grande pour être classée comme un biome). Les zones de transition sont appelées écotones. Figure 1.13 Biomes en fonction de la température et des précipitations 22 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction A) Biomes des regions tropicales i) La forêt tropicale humide Ce biome se trouve dans les régions équatoriales. La végétation est caractérisée par des plantes feuillues dont les feuilles tombent et sont remplacées tout au long de l'année. Contrairement aux arbres des forêts Figure 1.14 par Terpsichores à feuilles caduques, les arbres de ce biome n'ont pas de perte saisonnière de feuilles liée aux variations de température et d'ensoleillement ; ces forêts sont "à feuilles persistantes" toute l'année. Les profils de température et d'ensoleillement des forêts tropicales humides sont très stables, les températures variant de 20 °C à 34 °C (sans variation saisonnière de température). Cette absence de saisonnalité entraîne une croissance des plantes tout au long de l'année, plutôt que la croissance saisonnière (printemps, été et automne) observée dans d'autres biomes plus tempérés. Une quantité quotidienne constante de lumière solaire (11-12 heures par jour) fournit plus de rayonnement solaire, et donc une plus longue période pour la croissance des plantes. Les précipitations annuelles dans les forêts tropicales humides vont de 125 cm à 660 cm, avec quelques variations mensuelles. Alors que la lumière solaire et la température restent assez constantes, les précipitations annuelles sont très variables. Les forêts tropicales humides ont généralement des mois humides au cours desquels il peut y avoir plus de 30 cm de précipitations, ainsi que des mois secs au cours desquels il y a moins de 10 cm de précipitations. Toutefois, le mois le plus sec d'une forêt tropicale humide dépasse encore les précipitations annuelles de certains autres biomes, comme les déserts. Les forêts tropicales humides ont une productivité primaire nette élevée car les températures et les précipitations annuelles dans ces régions sont idéales pour la croissance des plantes. Par conséquent, l'importante biomasse présente dans la forêt tropicale humide donne lieu à des communautés végétales présentant une très grande diversité d'espèces. Les forêts tropicales humides comptent plus d'espèces d'arbres que tout autre biome ; en moyenne, entre 100 et 300 espèces d'arbres sont présentes sur un seul hectare (100 m x 100 m) de forêt amazonienne en Amérique du Sud ! Les fortes précipitations lessivent rapidement les nutriments des sols de ces forêts, qui sont généralement pauvres en nutriments. Les forêts tropicales humides se caractérisent par un étagement vertical de la végétation et la formation d'habitats distincts pour les animaux au sein de chaque couche. Le sol de la forêt est constitué d'une couche clairsemée de plantes et de matières végétales en décomposition. Au- 23 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction dessus se trouve un sous-étage de feuillage court et arbustif. Une couche d'arbres s'élève au- dessus de ce sous-étage et est surmontée d'une canopée supérieure fermée, c'est-à-dire la couche aérienne la plus élevée de branches et de feuilles. Quelques arbres supplémentaires émergent de ce couvert supérieur fermé. Ces couches constituent des habitats divers et complexes pour la variété de plantes, d'animaux et d'autres organismes présents dans les forêts tropicales humides. De nombreuses espèces animales utilisent la variété des plantes et la structure complexe des forêts tropicales humides pour se nourrir et s'abriter. Certains organismes vivent à plusieurs mètres au-dessus du sol et ne descendent que rarement sur le sol de la forêt. ii) La Forêt tropicale et subtropicale sèche Ce biome se trouve dans les régions qui ont un climat stable et chaud toute l'année mais qui, contrairement aux forêts tropicales humides, ont des saisons sèches prolongées (jusqu'à plusieurs mois). Contrairement aux forêts tropicales humides, Figure 1.15 par Terpsichores des périodes sans feuilles se produisent pendant les sécheresses dans ce biome. Même si ces forêts sèches sont moins diversifiées sur le plan biologique que les forêts tropicales humides, elles abritent encore une diversité impressionnante d'espèces. La perte des feuilles des grands arbres pendant la saison sèche ouvre la canopée et permet à la lumière du soleil d'atteindre le sol de la forêt, ce qui permet la croissance d'une épaisse broussaille au niveau du sol, qui est absente dans les forêts tropicales humides. On trouve de vastes forêts tropicales sèches en Afrique (y compris à Madagascar), en Inde, dans le sud du Mexique et en Amérique du Sud. iii) La savane Les savanes sont des prairies avec des arbres épars, et elles sont situées en Afrique, en Amérique du Sud et dans le nord de l'Australie. Les savanes sont généralement des zones tropicales chaudes, avec des températures moyennes de 24 °C à 29 °C et des précipitations Figure 1.16 par Terpsichores annuelles de 10 à 40 cm. Les savanes ont une longue 24 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction saison sèche (jusqu'à 9 mois) ; pour cette raison, les arbres forestiers ne poussent pas aussi bien que dans la forêt tropicale humide (ou d'autres biomes forestiers). Par conséquent, ce sont des herbes et des plantes à fleurs herbacées qui dominent la savane et non des arbres. Le feu étant une source importante de perturbation dans ce biome, les plantes ont développé des systèmes racinaires bien développés qui leur permettent de repousser rapidement après un incendie. L’abondance et la variété d’herbivores ongulés (antilopes, buffles, gnous, zèbres, girafes, etc.) est inégalée. Ces espèces peuvent survivre grâce à une adaptation comportementale fondamentale : les migrations. Malheureusement ces espèces sont maintenant remplacées par des animaux domestiques que l’on néglige de déplacer. Le surpâturage entraine l’érosion qui entraine la désertification. iv) Le désert Les déserts sont très secs ; certaines années, l'évaporation dépasse les précipitations. Les déserts subtropicaux chauds peuvent avoir des températures diurnes à la surface du sol Figure 1.17 par NASA Earth Observatory supérieures à 60 °C et des températures nocturnes proches de 0 °C. Cela est dû en grande partie au manque d'eau dans l'atmosphère. Dans les déserts froids, les températures peuvent atteindre 25 °C et descendre en dessous de -30 °C. Les déserts subtropicaux se caractérisent par de faibles précipitations annuelles, inférieures à 30 cm, avec de faibles variations mensuelles et un manque de prévisibilité des précipitations. Dans certains cas, les précipitations annuelles ne dépassent pas 2 cm. La faible diversité végétale et animale de ce biome sont étroitement liées à la faiblesse et à l'imprévisibilité des précipitations. Les déserts très secs sont dépourvus de végétation vivace qui vit plusieurs années ; au lieu de cela, de nombreuses plantes sont des annuelles qui poussent rapidement et se reproduisent lorsqu'il y a des précipitations, puis meurent. Beaucoup d'autres plantes de ces régions sont caractérisées par un certain nombre d'adaptations qui conservent l'eau, telles que des racines profondes, un feuillage réduit et des tiges qui stockent l'eau (cactus). Les plantes à graines du désert produisent des graines qui peuvent rester en dormance pendant de longues périodes entre les pluies. Les animaux du désert s'adaptent en adoptant un comportement nocturne et en creusant des terriers. Outre les déserts subtropicaux, il existe des déserts froids qui connaissent des températures glaciales en hiver et où les précipitations se font sous forme de neige. Les plus grands de ces déserts sont le désert de Gobi dans le nord de la Chine et le sud de la Mongolie, le désert de Taklimakan dans l'ouest de la Chine, le désert de Turkestan et le désert du Grand Bassin aux États- Unis. 25 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction B) Biomes des régions tempérées v) La forêt tempérée humide Biome que l'on trouve principalement dans les régions côtières tempérées recevant de fortes précipitations, comme en Colombie-Britannique, en Norvège, en Nouvelle-Zélande, au Chili et au Japon. Température annuelle moyenne comprise entre 4 et Figure 1.18 par KarlUdo 12°C avec de faibles variations saisonnières. Précipitations supérieures à 150 cm par an (jusqu'à 300 cm !) Le brouillard peut parfois être une source importante d'humidité. Le taux d'humidité élevé en fait un endroit idéal pour les mousses. Se trouve à des latitudes plus élevées donc la photopériode y est plus courte en hiver. En Amérique ce biome est dominé par des conifères, des arbres géants (70 à 90 mètres) comme le pin Douglas, la pruche de l’Ouest, le thuya géant et le Séquoia. La végétation de sous-bois est bien développée là où la lumière réussit à filtrer. Tout comme dans les forêts tropicales pluvieuses, les épiphytes sont nombreuses. Dans ce cas, ce sont des mousses, des lichens, des fougères et des lycopodes. vi) La forêt tempérée décidue et mixte Les forêts tempérées sont le biome le plus courant dans l'est de l'Amérique du Nord, en Europe occidentale, en Asie orientale, au Chili et en Nouvelle- Zélande. Ce biome est présent dans toutes les régions de Figure 1.19 par Terpsichores latitude moyenne. Les températures varient entre -30 °C et 30 °C et descendent périodiquement sous le point de congélation pendant les hivers froids. Ces températures signifient que les forêts tempérées ont des saisons de croissance définies au printemps, en été et au début de l'automne. Les précipitations sont relativement constantes tout au long de l'année et varient entre 75 cm et 150 cm. En raison des précipitations et des températures annuelles modérées, les arbres à feuilles caduques (les feuillus) sont les plantes dominantes de ce biome. Les arbres à feuilles caduques perdent leurs feuilles à l'automne et restent sans feuilles en hiver. 26 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Ainsi, aucune photosynthèse ne se produit dans les arbres à feuilles caduques pendant la période de dormance hivernale. Chaque printemps, de nouvelles feuilles apparaissent lorsque la température augmente. En raison de la période de dormance, la productivité primaire nette des forêts tempérées est inférieure à celle des forêts tropicales humides. En outre, les forêts tempérées présentent une moindre diversité d'espèces d'arbres que les biomes des forêts tropicales humides. Les sols des forêts tempérées sont riches en nutriments inorganiques et organiques. Cela est dû à l'épaisse couche de feuilles mortes qui recouvre le sol des forêts, ce qui n'est pas le cas dans les forêts tropicales humides. En se décomposant, ces feuilles mortes restituent des éléments nutritifs au sol. La litière de feuilles protège également le sol de l'érosion, isole le sol et fournit des habitats pour les invertébrés et leurs prédateurs, tels que la salamandre cendrée. On retrouve ce biome dans les régions les plus développées de la terre. C’est un biome qu’on voit rarement à l’état vierge et qui a été fortement morcelé. Il a été remplacé par des champs agricoles, des banlieues et des villes. vii) Les prairies Les prairies tempérées se trouvent dans tout le centre de l'Amérique du Nord, elles se trouvent également en Eurasie, où elles sont appelées steppes. Les prairies tempérées présentent des Figure 1.20 par NASA Earth Observatory fluctuations annuelles prononcées de la température, avec des étés chauds et des hivers froids. La variation annuelle de température produit des saisons de croissance spécifiques pour les plantes. La croissance des plantes est possible lorsque les températures sont suffisamment chaudes et lorsque l'eau est disponible en quantité suffisante, ce qui se produit au printemps, en été et en automne. Pendant une grande partie de l'hiver, les températures sont basses et l'eau, qui est stockée sous forme de glace, n'est pas disponible pour la croissance des plantes. Les précipitations annuelles varient de 25 cm à 75 cm. En raison des précipitations annuelles relativement faibles dans les prairies tempérées, il y a peu d'arbres, à l'exception de ceux qui poussent le long des rivières ou des ruisseaux. La végétation dominante tend à se composer de graminées suffisamment denses pour soutenir les populations d'animaux de pâturage. La végétation est très dense et les sols sont fertiles parce 27 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction que la subsurface du sol est remplie de racines et de rhizomes (tiges souterraines) de ces herbes. Les racines et les rhizomes servent à ancrer les plantes dans le sol et à reconstituer la matière organique (humus) du sol lorsqu'elles meurent et se décomposent. Les incendies, principalement causés par la foudre, sont une perturbation naturelle des prairies tempérées. Lorsque le feu est supprimé dans les prairies tempérées, la végétation finit par se transformer en broussailles et parfois en forêts denses avec des espèces d'arbres tolérantes à la sécheresse. Souvent, la restauration ou la gestion des prairies tempérées nécessite l'utilisation de brûlages contrôlés pour supprimer la croissance des arbres et maintenir les herbes. viii) Le Chaparral Le chaparral est également appelé forêt de broussailles et se trouve en Californie, le long de la mer Méditerranée et le long de la côte sud de l'Australie. Les précipitations annuelles dans ce biome varient de 65 cm à 75 cm et la majorité des Figure 1.21 par Terpsichores pluies tombent en hiver. Les étés sont très secs et de nombreuses plantes du chaparral sont en dormance pendant l'été. La végétation du chaparral est dominée par des arbustes adaptés aux feux périodiques, certaines plantes produisant des graines qui ne germent qu'après un feu chaud. Les cendres laissées après un incendie sont riches en nutriments, comme l'azote, qui fertilisent le sol et favorisent la repousse des plantes. 28 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction C) Biomes des régions subarctique ix) La forêt boréale La forêt boréale (forêt de conifères) se trouve au sud du cercle polaire et dans la majeure partie du Canada, de l'Alaska, de la Russie et de l'Europe du Nord. Ce biome connaît des hivers froids et secs et des étés courts, frais et humides. Figure 1.22 par Mark Baldwin-Smith Les précipitations annuelles sont de 40 cm à 100 cm et prennent généralement la forme de neige. L'évaporation est faible en raison des températures froides. Les hivers longs et froids de la forêt boréale ont conduit à la prédominance de conifères tolérants au froid. Il s'agit d’arbres à feuillage persistant comme les pins, les épinettes et les sapins, qui conservent leurs feuilles en forme d'aiguille toute l'année. Les conifères peuvent réaliser la photosynthèse plus tôt au printemps que les feuillus, car il faut moins d'énergie solaire pour réchauffer une feuille en forme d'aiguille qu'une large feuille. Cela profite aux conifères, qui poussent plus vite que les feuillus dans la forêt boréale. Lorsque les aiguilles des conifères tombent, elles se décomposent plus lentement que les feuilles; par conséquent, moins de nutriments sont retournés au sol pour alimenter la croissance des plantes. Les sols des régions de la forêt boréale ont tendance à être acides et à contenir peu d'azote disponible. Les feuilles sont une structure riche en azote et les feuillus doivent produire un nouvel ensemble de ces structures riches en azote chaque année. Par conséquent, les conifères qui conservent des aiguilles riches en azote peuvent avoir un avantage concurrentiel sur les feuillus. La productivité primaire nette des forêts boréales est inférieure à celle des forêts tempérées et des forêts tropicales humides. La diversité des espèces végétales est inférieure à celle observée dans les forêts tempérées et les forêts tropicales humides. Les forêts boréales ne présentent pas la stratification que l'on observe dans les forêts tropicales humides. La structure d'une forêt boréale se résume souvent à une couche d'arbres et une couche de végétation au sol. ** En Europe, le terme taïga est utilisé comme synonyme de forêt boréale. Ici, la taïga désigne les peuplements d'épinettes noires et de lichens. La taïga est donc une partie de la forêt boréale (qui peut être considérée comme un écotone entre la forêt boréale et la toundra). 29 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction D) Biome de la région arctique x) La toundra La toundra arctique se situe au nord de la forêt boréale subarctique et se trouve dans toutes les régions arctiques de l'hémisphère nord. La température moyenne en hiver est de -34 °C et la température moyenne en été varie de 3 °C à 12 °C. Les plantes de la toundra arctique Figure 1.23 par Katpatuka ont une saison de croissance très courte d'environ 10 à 12 semaines. Cependant, pendant cette période, il y a presque 24 heures de lumière du jour et la croissance des plantes est rapide. Les précipitations annuelles de la toundra arctique sont très faibles et varient peu d'une année sur l'autre. Et, comme dans les forêts boréales, il y a peu d'évaporation en raison des températures froides. Les plantes de la toundra arctique sont généralement basses par rapport au sol. Il y a peu de diversité d'espèces, une faible productivité primaire nette et une faible biomasse aérienne. Les sols de la toundra arctique peuvent rester dans un état de gel permanent appelé pergélisol. Le pergélisol rend impossible la pénétration des racines en profondeur dans le sol et ralentit la décomposition de la matière organique, ce qui empêche la libération des nutriments de la matière organique. Pendant la saison de croissance, le sol de la toundra arctique peut être entièrement recouvert de plantes ou de lichens. 30 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Figure 1.24: Biomes, climat et latitude par labster 31 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction 1.4 Écologie des populations Le texte de cette section a été traduit de l’anglais et provient du manuel libre Concept of Biology de Samantha Fowler, Rebecca Roush and James Wise, accéder gratuitement au : https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Tous les individus d'une espèce vivant dans une zone spécifique forment ensemble une population. Par exemple, une forêt peut comprendre de nombreux pins blancs. Tous ces pins représentent la population de pins blancs de cette forêt. Taille d’une population et sa densité Les populations sont caractérisées par leur taille (nombre total d'individus) et leur densité (nombre d'individus par unité de surface). Une population peut compter un grand nombre d'individus répartis de manière dense ou éparse. Il existe également des populations composées d'un petit nombre d'individus qui peuvent être densément ou très faiblement répartis dans une zone. La taille de la population peut influer sur le potentiel d'adaptation car elle affecte la quantité de variation génétique présente dans la population. La densité peut avoir des effets sur les interactions au sein d'une population, telles que la compétition pour la nourriture et la capacité des individus à trouver un partenaire. Les organismes de petite taille ont tendance à être plus densément répartis que les organismes de grande taille (figure 1.25). Figure 1.25 Les mammifères australiens présentent une relation inverse typique entre la densité de la population et la taille du corps. 32 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Estimer la taille d’une population La façon la plus précise de déterminer la taille d'une population est de compter tous les individus de la zone. Toutefois, cette méthode n'est généralement pas réalisable d'un point de vue logistique ou économique, en particulier lorsqu'il s'agit d'étudier de vastes zones. C'est pourquoi les scientifiques étudient généralement les populations en échantillonnant une partie représentative de chaque habitat et en utilisant cet échantillon pour faire des déductions sur la population dans son ensemble. Les méthodes utilisées pour échantillonner les populations afin de déterminer leur taille et leur densité sont généralement adaptées aux caractéristiques de l'organisme étudié. Pour les organismes immobiles tels que les plantes, ou pour les organismes très petits et se déplaçant lentement, un quadrat peut être utilisé. Un quadrat est un carré de bois, de plastique ou de métal placé au hasard sur le sol et utilisé pour compter le nombre d'individus qui se trouvent à l'intérieur de ses limites. Pour obtenir un comptage précis à l'aide de cette méthode, le carré doit être placé à des endroits aléatoires de l'habitat suffisamment de fois pour produire une estimation précise. Cette méthode de comptage fournira une estimation de la taille et de la densité de la population. Pour les organismes mobiles plus petits, tels que les mammifères, une technique appelée le capture, marquage, recapture est souvent utilisée. Cette méthode consiste à marquer d'une manière ou d'une autre un échantillon d'animaux capturés et à les relâcher dans l'environnement pour qu'ils se mélangent au reste de la population ; un nouvel échantillon est ensuite capturé et on détermine combien d'animaux marqués se trouvent dans le nouvel échantillon. Par exemple, si 80 tamias sont capturés, marqués et relâchés dans la forêt, puis, lors d'un second piégeage, 100 tamias sont capturés et 20 d'entre eux sont marqués, la taille de la population (N) peut être déterminée à l'aide de l'équation suivante : 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑′ 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑠 𝑚𝑎𝑟𝑞𝑢é𝑠 𝑙𝑎 1𝑒𝑟𝑒 𝑓𝑜𝑖𝑠 × 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑′ 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑠 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑢𝑟é𝑠 𝑙𝑎 2𝑒 𝑓𝑜𝑖𝑠 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑′ 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑠 𝑚𝑎𝑟𝑞𝑢é𝑠 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑢𝑟é𝑠 𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 2𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑢𝑟𝑒 Avec l’exemple précédent, on estimerait la population de tamias à 400 individus. 80 × 100 = 400 20 Ces résultats nous donnent une estimation de 400 individus au total dans la population d'origine. Le nombre réel sera généralement légèrement différent de ce chiffre en raison d'erreurs fortuites et d'un éventuel biais causé par les méthodes d'échantillonnage. 33 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Distribution des individus au sein d’une population Outre la mesure de la densité, il est possible d'obtenir d'autres informations sur une population en examinant la distribution des individus sur l'ensemble de leur aire de répartition. Les individus d'une population peuvent être répartis au hasard, en groupes ou à intervalles égaux (plus ou moins). On parle alors de distribution aléatoire, groupée et uniforme, respectivement (figure 1.26). Les différentes distribution reflètent des aspects importants de la biologie de l'espèce. Le pissenlit et d'autres plantes dont les graines sont dispersées par le vent et germent là où elles tombent dans des environnements favorables sont un exemple de distribution aléatoire. Une distribution groupée peut être observée chez les plantes qui laissent tomber leurs graines directement sur le sol, comme les chênes ; elle peut également être observée chez les animaux qui vivent en groupes sociaux (bancs de poissons ou troupeaux d'éléphants). La distribution uniforme est observée chez les plantes qui sécrètent des substances inhibant la croissance des individus voisins (comme la libération de produits chimiques toxiques par la sauge). On l'observe également chez les espèces animales territoriales, comme les manchots qui maintiennent un territoire défini pour la nidification. Les comportements territoriaux défensifs de chaque individu créent un modèle régulier de distribution de territoires de taille similaire et d'individus au sein de ces territoires. Ainsi, la distribution des individus au sein d'une population fournit plus d'informations sur la manière dont ils interagissent les uns avec les autres qu'une simple mesure de la densité. Tout comme les espèces à faible densité peuvent avoir plus de difficultés à trouver un partenaire, les espèces solitaires dont la distribution est aléatoire peuvent avoir des difficultés similaires par rapport aux espèces sociales dont les individus sont regroupés. Figure 1.26 La répartition des espèces peut être aléatoire, groupée ou uniforme. Les plantes telles que (a) les pissenlits dont les graines sont dispersées par le vent ont tendance à être réparties de manière aléatoire. Les animaux tels que (b) les éléphants qui se déplacent en groupe présentent une distribution groupée. Les oiseaux territoriaux tels que (c) les pingouins ont tendance à avoir une répartition uniforme. (crédit a: modification par Rosendahl; crédit b: modification par Rebecca Wood; crédit c: modification par Ben Tubby) 34 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Dynamique des populations et régulation La croissance d’une population est régulée de différentes manières. Celles-ci sont regroupées en facteurs dépendant de la densité, dans lesquels la densité de la population affecte le taux de croissance et la mortalité, et en facteurs indépendants de la densité, qui provoquent la mortalité d'une population indépendamment de la densité de celle-ci. Les biologistes de la faune, en particulier, veulent comprendre ces deux types de facteurs, car cela les aide à gérer les populations et à prévenir l'extinction ou la surpopulation. Régulation par facteurs dépendant de la densité La plupart des facteurs dépendant de la densité sont de nature biologique et comprennent la prédation, la compétition inter- et intraspécifique et les parasites. En général, plus une population est dense, plus son taux de mortalité est élevé. Par exemple, en cas de compétition intra- et interspécifique, les taux de reproduction des espèces sont généralement plus faibles, ce qui réduit le taux de croissance des populations. De plus, une faible densité de proies augmente la mortalité de leur prédateur car celui-ci a plus de difficultés à localiser sa source de nourriture. Enfin, lorsque la population est plus dense, les maladies se propagent plus rapidement parmi les membres de la population, ce qui affecte le taux de mortalité. Régulation indépendante de la densité et interaction avec les facteurs dépendant de la densité De nombreux facteurs typiquement physiques sont à l'origine de la mortalité d'une population, quelle que soit sa densité. Ces facteurs comprennent les conditions météorologiques, les catastrophes naturelles et la pollution. Un cerf sera tué dans un incendie de forêt, quel que soit le nombre de cerfs présents dans cette zone. Ses chances de survie sont les mêmes, que la densité de la population soit élevée ou faible. Il en va de même pour le froid hivernal. Dans la réalité, la régulation de la population est très complexe et des facteurs indépendants et dépendants de la densité peuvent interagir. Une population dense qui subit une mortalité due à une cause indépendante de la densité pourra se rétablir différemment d'une population clairsemée. Par exemple, une population de cerfs affectée par un hiver rigoureux se rétablira plus rapidement s'il reste plus de cerfs pour se reproduire. 35 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  1.5 Écologie des communautés Le texte de cette section a été traduit de l’anglais et provient du livre OpenStax Biology 2e textbook by Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi. Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/biology- 2e/pages/1-introduction Une population vit rarement, voire jamais, isolée des populations d'autres espèces. Dans la plupart des cas, de nombreuses espèces partagent un même habitat. Les interactions entre ces populations jouent un rôle majeur dans la régulation de la croissance et de l'abondance des populations. Toutes les populations qui occupent le même habitat forment une communauté : des populations qui habitent une zone spécifique en même temps. Le nombre d'espèces occupant le même habitat et leur abondance relative est appelé diversité des espèces. Les zones à faible diversité, comme les glaciers de l'Antarctique, contiennent encore une grande variété d'êtres vivants, tandis que la diversité des forêts tropicales humides est si grande qu'elle ne peut être comptée. L'écologie est étudiée au niveau des communautés afin de comprendre comment les espèces interagissent entre elles et se font concurrence pour les mêmes ressources. L’étude des communautés comprend: ✓ L'étude des interactions entre les espèces qui forment la communauté ✓ L'étude des facteurs qui structurent la communauté ✓ Les perturbations qui affectent les communautés Interactions Il existe toutes sortes d’interactions entre les populations. Généralement, on classe ces interactions selon qu’elles sont nuisibles, utiles ou sans effets sur les espèces concernées. De plus, les interactions peuvent exister au sein d’une même espèce (_____________________________) ou entre des espèces différentes (____________________________). Tentez d’associer les termes suivants aux bonnes définitions : Prédation – Commensalisme – Parasitisme – Mutualisme obligatoire – Facilitation – Herbivorisme – Compétition – Symbiose – Cannibalisme – Mutualisme facultatif Se dit d’une relation entre des individus qui ont besoin des mêmes ressources (nourriture, eau, territoire, etc.). L’individu le plus adapté tirera profit des ressources disponibles dans le milieu.. Se dit des relations dans lesquelles un individu d’une espèce en consomme un autre d’une autre espèce Se dit d’une relation obligatoire entre un individu qui profite d’un individu d’une autre espèce en lui étant nuisible Se dit de l’ensemble des relations où les individus de deux espèces différentes vivent en contact direct et intime Se dit d’une relation dans laquelle un individu d’une espèce en consomme un autre de la même espèce 36 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Se dit d’une relation de coopération entre deux individus d’espèces différentes qui retirent chacun un avantage qui peut-être lié à la protection, au déplacement ou à l’alimentation. Par contre, cette relation n’est pas essentielle à la survie Se dit d’une relation qui profite aux deux individus d’espèces différentes, et sans quoi, la survie n’est pas possible Se dit d’une interaction avantageuse pour un individu d’une espèce et sans effet pour l’autre Se dit d’une relation où les individus d’une espèce exercent un effet positif sur la survie et la reproduction d’une autre espèce sans vivre nécessairement en relation intime et directe Pour faciliter la compréhension, on peut utiliser les signes +, - et 0 pour indiquer l’effet que produit chaque relation sur la survie et la reproduction des espèces concernées. Espèce A Espèce B Prédation Herbivorisme Parasitisme Mutualisme obligatoire Symbiose Commensalisme Mutualisme facultatif Facilitation Compétition Le principe d’exclusion compétitive Les ressources sont souvent limitées au sein d'un habitat et plusieurs espèces peuvent entrer en compétition pour les obtenir. Les écologistes ont compris que toutes les espèces ont une niche écologique. Une niche est l'ensemble unique de ressources utilisées par une espèce, qui inclut ses interactions avec d'autres espèces. Le principe d'exclusion compétitive stipule que deux espèces ne peuvent pas occuper la même niche dans un habitat : en d'autres termes, différentes espèces ne peuvent pas coexister dans une communauté si elles sont en compétition pour toutes les mêmes ressources. Ce principe fonctionne parce que s'il y a un chevauchement dans l'utilisation des ressources et donc une concurrence entre deux espèces, les traits qui réduisent la dépendance à l'égard de la ressource partagée seront sélectionnés, ce qui conduira à une évolution qui réduira le chevauchement. Si l'une des deux espèces n'est pas en mesure d'évoluer 37 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction pour réduire la concurrence, l'espèce qui exploite le plus efficacement la ressource conduira l'autre espèce à l'extinction. La figure 1.27 présente un exemple expérimental de ce principe avec deux espèces de protozoaires : Paramecium aurelia et Paramecium caudatum. Lorsqu'elles sont cultivées individuellement en laboratoire, elles prospèrent toutes les deux. Mais lorsqu'elles sont placées ensemble dans le même tube à essai (habitat), P. aurelia supplante P. caudatum pour la nourriture, ce qui conduit à l'extinction de ce dernier. Figure 1.27 Paramecium aurelia et Paramecium caudatum prospèrent bien individuellement, mais lorsqu'elles sont en concurrence pour les mêmes ressources, P. aurelia l'emporte sur la P. caudatum. Caractéristiques des communautés Les communautés sont des systèmes complexes qui peuvent être caractérisés par leur structure (le nombre et la taille des populations et leurs interactions) et leur dynamique (la façon dont les membres et leurs interactions évoluent dans le temps). Comprendre la structure et la dynamique des communautés nous permet de minimiser les impacts sur les écosystèmes et de gérer les communautés écologiques dont nous bénéficions. Biodiversité Les écologistes ont beaucoup étudié l'une des caractéristiques fondamentales des communautés : la biodiversité. L'une des mesures de la biodiversité utilisées par les écologistes est le nombre d'espèces différentes dans une zone donnée et leur abondance relative. La zone en question peut être un habitat, un biome ou l'ensemble de la biosphère. La richesse spécifique est le terme utilisé pour décrire le nombre d'espèces vivant dans un habitat ou une autre unité. La richesse en spécifique varie d'un endroit à l'autre de la planète (figure 1.28). Les écologistes se sont efforcés de comprendre les déterminants de la biodiversité. La richesse spécifique est liée à la latitude : la plus grande richesse spécifique se trouve près de l'équateur et la plus faible près des pôles. L'abondance relative des espèces est le nombre d'individus d'une espèce par rapport au nombre total d'individus de toutes les espèces d'un système. Les espèces fondatrices, décrites ci-dessous, ont souvent l'abondance relative d'espèces la plus élevée. 38 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Figure 1.28 Cette carte illustre le nombre d'espèces d'amphibiens à travers le monde et montre la tendance à une plus grande biodiversité à des latitudes plus basses. Une tendance similaire est observée pour la plupart des groupes taxonomiques. Les raisons pour lesquelles la biodiversité augmente plus près de l'équateur ne sont pas encore claires, mais les hypothèses incluent l'âge plus élevé des écosystèmes dans les tropiques par rapport aux régions tempérées, qui ont été largement dépourvues de vie ou radicalement appauvries au cours de la dernière période glaciaire. Cet âge plus avancé laisse plus de temps pour la spéciation. Une autre explication possible est que les tropiques reçoivent plus d'énergie du soleil que les régions tempérées et polaires, qui en reçoivent moins. Mais les scientifiques n'ont pas été en mesure d'expliquer comment un apport énergétique plus important pouvait se traduire par un plus grand nombre d'espèces. La complexité des écosystèmes tropicaux pourrait favoriser la spéciation en augmentant l'hétérogénéité de l'habitat, ou le nombre de niches écologiques, dans les tropiques par rapport aux latitudes plus élevées. Cette plus grande hétérogénéité offre davantage de possibilités de coévolution, de spécialisation et peut-être de pressions de sélection plus fortes conduisant à la différenciation des populations. Toutefois, cette hypothèse souffre d'une certaine circularité : les écosystèmes comptant davantage d'espèces favorisent la spéciation, mais comment ont-ils obtenu davantage d'espèces au départ ? Les tropiques ont été perçus comme étant plus stables que les régions tempérées, qui ont un climat prononcé et une saisonnalité de la longueur du jour. Les tropiques ont leurs propres formes de saisonnalité, telles que les précipitations, mais on suppose généralement qu'ils sont des environnements plus stables et que cette stabilité pourrait favoriser la spéciation. Quels que soient les mécanismes, il est certainement vrai que la biodiversité est plus importante sous les tropiques. Le nombre d'espèces endémiques est plus élevé sous les tropiques. Les tropiques contiennent également plus de points chauds de la biodiversité. En même temps, notre connaissance des espèces vivant sous les tropiques est la plus faible et, en raison de l'activité humaine récente et intense, le potentiel de perte de biodiversité est le plus élevé. 39 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Espèces fondatrices Les espèces fondatrices sont considérées comme la « base » ou le « socle » d'une communauté, ayant la plus grande influence sur sa structure globale. Elles sont souvent des producteurs primaires et possèdent souvent un grand nombre d’individus. Par exemple, le varech, une espèce d'algue brune, est une espèce fondatrice qui forme la base des forêts de varech au large de la Californie. Les espèces fondatrices peuvent modifier physiquement l'environnement pour produire et maintenir des habitats qui profitent aux autres organismes qui les utilisent. Les varechs décrits ci- dessus ou les espèces d'arbres d'une forêt en sont des exemples. Les coraux photosynthétiques du récif corallien fournissent également une structure en modifiant physiquement l'environnement. Les exosquelettes des coraux vivants et morts constituent la majeure partie de la structure du récif, qui protège de nombreuses autres espèces des vagues et des courants océaniques. Espèces clé de voûte Une espèce clé de voûte est une espèce dont la présence a une influence démesurée sur le maintien de la prévalence de diverses espèces dans un écosystème, sur la structure de la communauté écologique et parfois sur sa biodiversité. Pisaster ochraceus, l'étoile de mer intertidale, est une espèce clé de voûte dans la partie nord-ouest des États-Unis (figure 1.29). Des études ont montré que lorsque cet organisme est retiré des communautés, les populations de moules (leur proie naturelle) augmentent, ce qui modifie complètement la composition des espèces et réduit la biodiversité. Une autre espèce clé est le tétra rayé, un poisson des cours d'eau tropicaux, qui fournit presque tout le phosphore, un nutriment inorganique nécessaire, au reste de la communauté. Le tétra rayé se nourrit principalement d'insectes provenant de l'écosystème terrestre et rejette ensuite le phosphore dans l'écosystème aquatique. Les relations entre les populations de la communauté, et peut-être la biodiversité, changeraient radicalement si ces poissons venaient à disparaître. Figure 1.29 Pisaster ochraceus, une espèce clé de voûte. (crédit: Jerry Kirkhart) 40 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Dynamique des communautés La dynamique des communautés est l'évolution de leur structure et de leur composition au fil du temps, souvent à la suite de perturbations environnementales telles que les éruptions volcaniques, les tremblements de terre, les tempêtes, les incendies et les changements climatiques. Les communautés dont le nombre d'espèces est relativement constant sont dites en équilibre. L'équilibre est dynamique, l'identité des espèces et les relations entre elles évoluant au fil du temps, mais le nombre d'espèces reste relativement constant. Après une perturbation, la communauté peut ou non revenir à l'état d'équilibre. La succession écologique décrit l'apparition et la disparition séquentielles d'espèces dans une communauté au fil du temps après une perturbation grave. Dans la succession primaire, les roches nouvellement exposées ou nouvellement formées sont colonisées par des organismes vivants ; dans la succession secondaire, une partie d'un écosystème est perturbée et des vestiges de la communauté précédente subsistent. Dans les deux cas, il y a un changement séquentiel des espèces jusqu'à ce qu'une communauté plus ou moins permanente se développe. Succession primaire et espèces pionnières La succession primaire se produit lorsque de nouvelles terres sont formées ou que des roches sont exposées : par exemple, après l'éruption de volcans, comme ceux de la Grande île d'Hawaï. La lave s'écoulant dans l'océan, de nouvelles terres se forment continuellement. Sur la Grande île, environ 32 acres de terre s'ajoutent... chaque année. Tout d'abord, les intempéries et d'autres forces naturelles dégradent suffisamment le substrat pour permettre l'établissement de certaines plantes et lichens robustes ayant peu d'exigences en matière de sol, appelés espèces pionnières. Ces espèces aident à poursuivre la décomposition de la lave riche en minéraux en un sol où d'autres espèces moins résistantes se développeront et finiront par remplacer les espèces pionnières. En outre, au fur et à mesure que ces espèces pionnières croissent et meurent, elles ajoutent à une couche toujours plus grande de matière organique en décomposition et contribuent à la formation du sol. Au fil du temps, la zone atteindra un état d'équilibre, avec un ensemble d'organismes très différents des espèces pionnières. Succession secondaire Un exemple classique de succession secondaire se produit dans les forêts rasées par un feu de forêt (voir Figure 1.30). Les feux de forêt brûlent la plupart de la végétation et tuent les animaux incapables de fuir la zone. Leurs nutriments, cependant, sont restitués au sol sous forme de cendres. Ainsi, même lorsque des zones sont dépourvues de vie en raison de graves incendies, la zone sera bientôt prête à accueillir une nouvelle vie. Avant l'incendie, la végétation était dominée par de grands arbres ayant accès à la principale ressource énergétique des plantes : la lumière du soleil. Leur hauteur leur permettait d'accéder à 41 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction la lumière du soleil tout en faisant de l'ombre au sol et aux autres espèces basses. Après l'incendie, cependant, ces arbres ne sont plus dominants. Ainsi, les premières plantes à repousser sont généralement des plantes annuelles, suivies en quelques années par des herbes et d'autres espèces pionnières à croissance et propagation rapides. En raison, du moins en partie, des modifications de l'environnement provoquées par la croissance des herbes et d'autres espèces, des arbustes apparaissent au fil des ans, ainsi que de petits arbres tolérants à l’ombre. Ces organismes sont appelés espèces intermédiaires. Finalement, au bout de 150 ans, la forêt atteindra son point d'équilibre où la composition des espèces ne changera plus et ressemblera à la communauté d'avant l'incendie. Cet état d'équilibre est appelé communauté climacique, qui restera stable jusqu'à la prochaine perturbation. Une communauté climacique est le " point final " de la succession dans le contexte d'un climat et d'une géographie particuliers. Les domaines bioclimatiques (voir la figure suivante) illustrent les différentes communautés de climax attendues au Québec en fonction du climat. Figure 1.30 Une succession secondaire dans une érablière à tilleul. 42 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Une communauté climacique persiste à un endroit donné jusqu'à ce qu'une perturbation se produise. Cependant, dans de nombreux écosystèmes, les perturbations sont suffisamment fréquentes pour qu'une matrice de types de communautés soit constamment présente dans le paysage. Dans l'exemple de paysage suivant (provenant de la région du lac Abitibi, à la frontière entre l'Ontario et le Québec), l'écosystème de la forêt boréale comprend une matrice complexe de différentes communautés (avec quelques peuplements anciens, quelques peuplements récemment brûlés et tout ce qui se trouve entre les deux) Figures provenant de Springer Open (Kuuluvainen et Gauthier, 2018) 43 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction 1.6 Écosystèmes Le texte de cette section a été traduit de l’anglais et provient du manuel libre Concept of Biology de Samantha Fowler, Rebecca Roush and James Wise, accéder gratuitement au : https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Un écosystème est une communauté d'organismes vivants et leurs interactions avec leur environnement abiotique (non vivant). Les écosystèmes peuvent être petits, comme les cuvettes à marée que l'on trouve près des rivages rocheux de nombreux océans, ou grands, comme la forêt boréale au Québec. Écologie des écosystèmes La vie dans un écosystème implique souvent une compétition pour des ressources limitées, qui se produit à la fois au sein d'une même espèce (intraspécifique) et entre différentes espèces (interspécifique). Les organismes sont en concurrence pour la nourriture, l'eau, la lumière du soleil, l'espace et les nutriments minéraux. Ces ressources fournissent l'énergie nécessaire aux processus métaboliques et la matière nécessaire aux structures physiques des organismes. D'autres facteurs essentiels influençant la dynamique des communautés sont les composantes de leur environnement physique : le climat (saisons, ensoleillement et précipitations), l'altitude et la géologie. Il s'agit de variables environnementales importantes qui déterminent quels organismes peuvent exister dans une zone donnée. Chaînes alimentaires et réseaux trophiques Une chaîne alimentaire est une séquence linéaire d'organismes par lesquels transitent les nutriments et l'énergie : producteurs primaires, consommateurs primaires et consommateurs de niveau supérieur sont utilisés pour décrire la structure et la dynamique des écosystèmes. Il n'y a qu'un seul chemin dans la chaîne. Chaque organisme de la chaîne alimentaire occupe ce que l'on appelle un niveau trophique. En fonction de leur rôle de producteur ou de consommateur, les espèces ou groupes d'espèces peuvent être affectés à différents niveaux trophiques. Dans de nombreux écosystèmes, le bas de la chaîne alimentaire est constitué d'organismes photosynthétiques (plantes et/ou phytoplancton), appelés producteurs primaires. Les organismes qui consomment les producteurs primaires sont des herbivores : les consommateurs primaires. Les consommateurs secondaires sont généralement des carnivores qui mangent les consommateurs primaires. Les consommateurs tertiaires sont des carnivores qui mangent d'autres carnivores. Les consommateurs de niveau supérieur se nourrissent des niveaux trophiques inférieurs suivants, et ainsi de suite, jusqu'aux organismes situés au sommet de la chaîne alimentaire : les consommateurs supérieurs. 44 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction Figure 1.31 Voici les niveaux trophiques d'une chaîne alimentaire dans le lac Ontario, à la frontière entre les États-Unis et le Canada. L'énergie et les nutriments circulent des algues vertes photosynthétiques de la base vers le sommet de la chaîne alimentaire : le saumon Chinook. (crédit: modification par National Oceanic and Atmospheric Administration/NOAA) L'utilisation des chaînes alimentaires pour décrire avec précision la plupart des écosystèmes pose un problème. Même lorsque tous les organismes sont regroupés en niveaux trophiques appropriés, certains de ces organismes peuvent se nourrir d'espèces appartenant à plus d'un niveau trophique ; de même, certains de ces organismes peuvent être mangés par des espèces appartenant à plusieurs niveaux trophiques. En d'autres termes, le modèle linéaire des écosystèmes, la chaîne alimentaire, ne décrit pas complètement la structure des écosystèmes. Un modèle holistique - qui tient compte de toutes les interactions entre les différentes espèces et de leurs relations complexes et interconnectées entre elles et avec l'environnement - est un modèle plus précis et plus descriptif des écosystèmes. Un réseau alimentaire (figure 1.32) est une représentation graphique d'un réseau complexe et non linéaire de producteurs primaires, de consommateurs primaires et de consommateurs de niveau supérieur, utilisée pour décrire la structure et la dynamique des écosystèmes. Ce réseau alimentaire montre les interactions entre les organismes des différents niveaux trophiques 45 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Figure 1.33 Ce réseau alimentaire illustre les interactions entre les organismes à tous les niveaux trophiques. Les flèches vont d'un organisme consommé à l'organisme qui le consomme. Tous les producteurs et consommateurs finissent par nourrir les décomposeurs (champignons, moisissures, vers de terre et bactéries du sol). L'un des principaux facteurs limitant le nombre d'étapes d'une chaîne alimentaire est l'énergie. L'énergie est perdue à chaque niveau trophique et entre les niveaux trophiques sous forme de chaleur et dans le transfert aux décomposeurs (figure 1.33). Ainsi, après un nombre limité de transferts d'énergie trophique, la quantité d'énergie restant dans la chaîne alimentaire peut ne pas être suffisante pour soutenir des populations viables à un niveau trophique encore plus élevé. 46 Accéder gratuitement au https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction  Figure 1.33 L'énergie relative des niveaux trophiques dans un écosystème de Silver Springs, en Floride, est illustrée. Chaque niveau trophique dispose de moins d'énergie et soutient généralement, mais pas toujours, une plus petite masse d'organismes au niveau suivant. Comment les organismes acquièrent-ils de l'énergie dans un réseau alimentaire ? Tous les êtres vivants ont besoin d'énergie sous une forme ou une autre. L'énergie est utilisée par la plupart des voies métaboliques complexes (généralement sous la forme d'ATP). Les organismes vivants ne ser